JP7828265B2 - 活性化装置 - Google Patents

活性化装置

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Description

本発明は、燃料電池用の電解質膜・電極構造体を活性化する活性化装置に関する。
従来、気候変動の緩和又は影響軽減を目的とした取り組みが継続され、この実現に向けてＣＯ2削減に関する研究開発が行われている。この観点から、燃料電池を搭載した燃料電池車（ＦＣＶ／Fuel Cell Vehicle）が注目されている。燃料電池車は水蒸気を排出するのみであり、ＣＯ2、ＮＯx及びＳＯx等を排出することがないからである。
燃料電池は、電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備える。ＭＥＡは、第１端面及び第２端面を有する固体高分子からなる電解質膜と、電解質膜の第１端面に設けられたアノード電極と、電解質膜の第２端面に設けられたカソード電極とを備える。すなわち、ＭＥＡは、アノード電極とカソード電極との間に電解質膜を挟んで構成される。ＭＥＡが１組のセパレータで挟まれることで、燃料電池の単位セルが組み立てられる。
組み立てられた直後の単位セルでは、電解質膜の含水量が十分ではない。従って、該単位セルでは十分な発電性能が得られない。これを回避するため、初回の運転前に燃料電池に対して活性化が行われる。一般的には、複数個の単位セルを積層した燃料電池スタックが活性化される。これに対し、特許文献１において、個々の単位セルに対して活性化を行うことが開示されている。この場合、活性化された単位セルを積層して燃料電池スタックが組み立てられる。
特開２０１４－７００６号公報
１組のセパレータのうち一方には、第１ガス流路が形成される。１組のセパレータのうち他方には、第２ガス流路が形成される。電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を活性化する過程で、第１ガス流路及び第２ガス流路に湿潤ガスが流通される場合がある。湿潤ガスがアノード電極及びカソード電極にそれぞれ接触することにより、アノード電極及びカソード電極に湿分が付与される。
アノード電極又はカソード電極に湿分が過度に付与されると、アノード電極又はカソード電極に液膜が形成される。すなわち、いわゆるフラッディングが起こる。このような状況下では、アノード電極又はカソード電極の各々の電極触媒に湿潤ガスが浸透し難い。この場合、電極触媒の活性化の進行が妨げられる。
また、高い電流密度で活性化を実施すると、特に第２ガス流路のガス出口の近傍において、活性化ガスの分圧が低下して水蒸気の分圧が上昇する。このため、第２ガス流路のガス出口の近傍では、フラッディングが起こり易い。これを回避するには、例えば、湿潤ガスに付与する湿分を少なくし、これにより該湿潤ガスの相対湿度を低くする。しかしながら、この場合、ＭＥＡの活性化効率が低くなる。
本発明は、上述した課題を解決することを目的とする。
本発明の一実施形態によれば、燃料電池を構成するアノード電極及びカソード電極の間に電解質膜が挟まれた電解質膜・電極構造体を活性化するための活性化装置において、前記電解質膜・電極構造体の両側に配置される一対の治具を備え、前記一対の治具の各々は、複数個のガス流路と、複数個のヒートパイプとを有し、前記活性化装置は、前記複数個のガス流路に活性化ガスを供給する活性化ガス供給部と、前記複数個のヒートパイプに熱を付与する熱供給部と、前記熱供給部から前記複数個のヒートパイプに付与される熱を制御する制御部と、を備え、前記複数個のガス流路の各々は、前記活性化ガスが流入する入口と、前記アノード電極又は前記カソード電極に向いて開口した供給口と、前記活性化ガスが流出する出口と、を有する、活性化装置が提供される。ここで、ガス流路は、アノード電極又はカソード電極に供給される活性化ガスが流通する流路である。
一般的な活性化装置において、複数個のガス流路は、１個の入口から分岐し、且つ１個の出口で集合する。これに対し、本発明においては、複数個のガス流路は、入口及び出口をそれぞれ有する。すなわち、複数個のガス流路は互いに独立した流路であり、互いに連通していない。
従って、１個のガス流路は、１個の入口及び１個の出口を有する。この場合、１個のガス流路の流路長が短くなる。以上のような理由から、ガス流路を流れる活性化ガスにおいて、入口側の分圧と出口側の分圧とで差が生じ難くなる。すなわち、出口近傍において、活性化ガスの分圧が低下し水蒸気の分圧が上昇することが回避される。このため、ガス流路の出口近傍でフラッディングが起こり難くなる。その結果、アノード電極又はカソード電極の各々の電極触媒に活性化ガスが容易に浸透する。これにより、電極触媒を十分に活性化することができる。
また、本発明においては、活性化ガスの温度を制御する手段としてヒートパイプを用いている。ヒートパイプは、熱の入出に対する応答速度が大きい。このため、ガス流路内での活性化ガスの局所的な温度（実質的な露点温度）を迅速に調整することができる。これにより、活性化ガスから発生する液水の量を適切に制御することができる。
図１は、第１実施形態に係る活性化装置を含む活性化システムの概略システム図である。 図２は、図１に示される第１治具から活性化装置を見た平面図である。 図３は、第１治具におけるアノード電極を向く端面から活性化装置を見た平面図である。 図４は、図２中のＩＶ－ＩＶ線断面図である。 図５は、図１に示される第２治具から活性化装置を見た平面図である。 図６は、第２治具におけるカソード電極を向く端面から活性化装置を見た平面図である。 図７は、第２実施形態に係る活性化装置を構成する第１治具から活性化装置を見た平面図である。 図８は、第１治具におけるアノード電極を向く端面から活性化装置を見た平面図である。 図９は、図７中のＩＸ－ＩＸ線断面図である。 図１０は、活性化装置を構成する第２治具から活性化装置を見た平面図である。 図１１は、第２治具におけるカソード電極を向く端面から活性化装置を見た平面図である。
図１は、活性化システム３０の概略システム図である。活性化システム３０は、第１実施形態に係る活性化装置４０を含む。
図１には、活性化装置４０を構成する第１治具４２と第２治具４４との間に電解質膜・電極構造体１０が挟まれた状態が示されている。先ず、電解質膜・電極構造体１０について、図４を参照して概略説明する。なお、以下では、電解質膜・電極構造体を「ＭＥＡ」と表記することもある。
ＭＥＡ１０は、固体高分子からなる電解質膜１２を備える。固体高分子としては、パーフルオロスルホン酸等が例示される。電解質膜１２は、アノード電極１４とカソード電極１６との間に挟まれる。アノード電極１４は、電極触媒を含む第１電極触媒層１８と、第１電極触媒層１８にガスを供給するための第１ガス拡散層２０とを有する。カソード電極１６は、電極触媒を含む第２電極触媒層２２と、第２電極触媒層２２にガスを供給するための第２ガス拡散層２４とを有する。
次に、図１～図６を参照し、活性化システム３０を構成する活性化装置４０につき説明する。図１に示すように、活性化装置４０は、ＭＥＡ１０を挟む第１治具４２と第２治具４４とを有する。第１治具４２は、アノード電極１４における第１ガス拡散層２０に隣接するように配置される。第２治具４４は、カソード電極１６における第２ガス拡散層２４に隣接するように配置される。
図２は、図１に示される第１治具４２から活性化装置４０を見た平面図であり、図３は、第１治具４２におけるアノード電極１４を向く端面から活性化装置４０を見た平面図である。図４は、図２中のＩＶ－ＩＶ線断面図である。
図１～図４に示すように、第１治具４２は、２枚のベースプレート４６ａ、４６ｂと、複数個の第１流路部材４８と、複数個の第１ヒートパイプ５０とを有する。図１～図３に示すように、第１ヒートパイプ５０は、２枚のベースプレート４６ａ、４６ｂの間に挟まれた状態で、所定の第１方向Ｘに向かって直線状に延びる。
図３に示すように、第１実施形態では、第１流路部材４８と第１ヒートパイプ５０が交互に並ぶ。図３及び図４に示すように、第１流路部材４８は、第１ヒートパイプ５０と同様に第１方向Ｘに向かって直線状に延びる。図４に示すように、個々の第１流路部材４８の内部には、第１ガス流路５２が形成される。従って、第１実施形態では、複数個の第１ヒートパイプ５０のうち２個の間に、複数個の第１ガス流路５２のうち１個が位置する。複数個の第１ガス流路５２は互いに独立した流路であり、互いに連通していない。
図４に示すように、第１ガス流路５２は、アノード電極１４を向く面に第１供給口５４を有する。従って、第１ガス流路５２を流通する第１湿潤ガスは、第１供給口５４から第１ガス拡散層２０を経て第１電極触媒層１８に供給される。
第１ガス流路５２には、第１Ａｎ側屈曲部５６及び第２Ａｎ側屈曲部５８が連なる。第１Ａｎ側屈曲部５６には、第１湿潤ガスが流入する第１入口６０が形成される。第２Ａｎ側屈曲部５８には、第１湿潤ガスが排出される第１出口６２が形成される。第１Ａｎ側屈曲部５６及び第２Ａｎ側屈曲部５８は、第１ガス流路５２に対して略９０°屈曲した第２方向Ｙに沿って延在する。すなわち、第１Ａｎ側屈曲部５６及び第２Ａｎ側屈曲部５８は、第１ガス流路５２から離間する方向に凹んだ凹部からなる。
第１ガス流路５２には、第１Ａｎ側蓄熱部６４ａ、第２Ａｎ側蓄熱部６４ｂ、第３Ａｎ側蓄熱部６４ｃ及び第４Ａｎ側蓄熱部６４ｄが連なる。この場合、第１Ａｎ側蓄熱部６４ａ、第２Ａｎ側蓄熱部６４ｂ、第３Ａｎ側蓄熱部６４ｃ及び第４Ａｎ側蓄熱部６４ｄは、それぞれ、第１ガス流路５２を起点とし、且つ第１ガス流路５２から離間するように凹んだ凹部からなる。すなわち、この場合、第１Ａｎ側蓄熱部６４ａ、第２Ａｎ側蓄熱部６４ｂ、第３Ａｎ側蓄熱部６４ｃ及び第４Ａｎ側蓄熱部６４ｄは、第１ガス流路５２から第２方向Ｙに向かって延びる空間である。第１Ａｎ側蓄熱部６４ａ、第２Ａｎ側蓄熱部６４ｂ、第３Ａｎ側蓄熱部６４ｃ及び第４Ａｎ側蓄熱部６４ｄの凹み方向は第２方向Ｙであり、第１Ａｎ側屈曲部５６及び第２Ａｎ側屈曲部５８の凹み方向と一致する。
なお、第１ガス流路５２に設けられる蓄熱部の個数は、図示例の４個に特に限定されない。第１ガス流路５２に蓄熱部を設けることも必須ではない。
第１Ａｎ側蓄熱部６４ａ、第２Ａｎ側蓄熱部６４ｂ、第３Ａｎ側蓄熱部６４ｃ及び第４Ａｎ側蓄熱部６４ｄの容積は、第１Ａｎ側蓄熱部６４ａ、第２Ａｎ側蓄熱部６４ｂ、第３Ａｎ側蓄熱部６４ｃ、第４Ａｎ側蓄熱部６４ｄの順に大きくなる。従って、第２Ａｎ側蓄熱部６４ｂは、第１Ａｎ側蓄熱部６４ａよりも多量の第１湿潤ガスを捕捉する。第３Ａｎ側蓄熱部６４ｃは第２Ａｎ側蓄熱部６４ｂよりも多量の第１湿潤ガスを捕捉し、第４Ａｎ側蓄熱部６４ｄは第３Ａｎ側蓄熱部６４ｃよりも多量の第１湿潤ガスを捕捉する。このように、第１Ａｎ側蓄熱部６４ａ、第２Ａｎ側蓄熱部６４ｂ、第３Ａｎ側蓄熱部６４ｃ及び第４Ａｎ側蓄熱部６４ｄは、第１入口６０から第１出口６２に向かって容積が大きくなるように並ぶ。
全ての第１入口６０には、管継手６６を介して第１入力マニホールド６８が接続される。第１湿潤ガス供給源（図１参照）から供給された第１湿潤ガスは、第１入力マニホールド６８で分配され、個々の第１入口６０及び第１Ａｎ側屈曲部５６を介して第１ガス流路５２に流入する。全ての第１出口６２には、管継手６６を介して第１出力マニホールド６９が接続される。個々の第１ガス流路５２を流通した第１湿潤ガスは、第１出力マニホールド６９で集合し、例えば、大気に排出されるか、又は、第１湿潤ガス供給源に回収される。
第１湿潤ガスが第１ガス流路５２を流通する最中、一部の第１湿潤ガスが第１Ａｎ側蓄熱部６４ａ、第２Ａｎ側蓄熱部６４ｂ、第３Ａｎ側蓄熱部６４ｃ及び第４Ａｎ側蓄熱部６４ｄに捕捉される。第１湿潤ガスの温度は数十℃～百数十℃程度であるので、第１Ａｎ側蓄熱部６４ａ、第２Ａｎ側蓄熱部６４ｂ、第３Ａｎ側蓄熱部６４ｃ及び第４Ａｎ側蓄熱部６４ｄは、第１湿潤ガスを捕捉することで熱を蓄える。第１Ａｎ側蓄熱部６４ａ、第２Ａｎ側蓄熱部６４ｂ、第３Ａｎ側蓄熱部６４ｃ、第４Ａｎ側蓄熱部６４ｄの順で容積が大きくなるので、第１Ａｎ側蓄熱部６４ａ、第２Ａｎ側蓄熱部６４ｂ、第３Ａｎ側蓄熱部６４ｃ、第４Ａｎ側蓄熱部６４ｄの順序で蓄熱容量が大きくなる。
図１～図４に示すように、第１ヒートパイプ５０には、ヒータ又はペルチェ素子等からなる第１熱供給部７０が接続される。第１熱供給部７０は、第１ヒートパイプ５０に対して熱を付与する。
図２に示すように、個々の第１流路部材４８には、第１入口６０及び第１出口６２の近傍に第１電気端子７２及び第２電気端子７４がそれぞれ設けられる。また、第１治具４２には、第１接続端子７６が設けられる。
図５は、図１に示される第２治具４４から活性化装置４０を見た平面図であり、図６は、第２治具４４におけるカソード電極１６を向く端面から活性化装置４０を見た平面図である。図４～図６から理解されるように、第２治具４４は第１治具４２と同様に構成されている。
図１及び図４～図６に示すように、第２治具４４は、２枚のベースプレート４６ｃ、４６ｄと、複数個の第２流路部材８０と、複数個の第２ヒートパイプ８２とを有する。図１及び図５に示すように、第２ヒートパイプ８２は、２枚のベースプレート４６ｃ、４６ｄの間に挟まれた状態で、第１ヒートパイプ５０及び第１流路部材４８と同じく第１方向Ｘに向かって直線状に延びる。
図５及び図６に示すように、第１実施形態では、第２流路部材８０と第２ヒートパイプ８２が交互に並ぶ。図４及び図６に示すように、第２流路部材８０及び第２ヒートパイプ８２は、第１ガス流路５２及び第１ヒートパイプ５０と同様に第１方向Ｘに向かって直線状に延びる。図６に示すように、個々の第２流路部材８０の内部には第２ガス流路８４が形成される。従って、第１実施形態では、複数個の第２ヒートパイプ８２のうち２個の間に、複数個の第２ガス流路８４のうち１個が位置する。複数個の第２ガス流路８４は互いに独立した流路であり、互いに連通していない。
図６に示すように、第２ガス流路８４は、カソード電極１６を向く面に第２供給口８６を有する。従って、第２ガス流路８４を流通する第２湿潤ガスは、第２供給口８６から第２ガス拡散層２４を経て第２電極触媒層２２に供給される。
第２ガス流路８４には、第１Ｃａ側屈曲部８８及び第２Ｃａ側屈曲部９０が連なる。第１Ｃａ側屈曲部８８には、第２湿潤ガスを第２ガス流路８４に流入するための第２入口９２が形成される。第２Ｃａ側屈曲部９０には、第２湿潤ガスを第２ガス流路８４から排出するための第２出口９４が形成される。第１Ｃａ側屈曲部８８及び第２Ｃａ側屈曲部９０は、第２ガス流路８４に対して略９０°屈曲した第２方向Ｙに沿って延在する。すなわち、第１Ｃａ側屈曲部８８及び第２Ｃａ側屈曲部９０は、第２ガス流路８４から離間する方向に凹んだ凹部からなる。
第２ガス流路８４には、第１Ｃａ側蓄熱部９６ａ、第２Ｃａ側蓄熱部９６ｂ、第３Ｃａ側蓄熱部９６ｃ及び第４Ｃａ側蓄熱部９６ｄが連なる。この場合、第１Ｃａ側蓄熱部９６ａ、第２Ｃａ側蓄熱部９６ｂ、第３Ｃａ側蓄熱部９６ｃ及び第４Ｃａ側蓄熱部９６ｄは、それぞれ、第２ガス流路８４を起点とし、且つ第２ガス流路８４から離間するように凹んだ凹部からなる。すなわち、この場合、第１Ｃａ側蓄熱部９６ａ、第２Ｃａ側蓄熱部９６ｂ、第３Ｃａ側蓄熱部９６ｃ及び第４Ｃａ側蓄熱部９６ｄは、第２ガス流路８４から第２方向Ｙに向かって延びる空間である。第１Ｃａ側蓄熱部９６ａ、第２Ｃａ側蓄熱部９６ｂ、第３Ｃａ側蓄熱部９６ｃ及び第４Ｃａ側蓄熱部９６ｄの凹み方向は第２方向Ｙであり、第１Ｃａ側屈曲部８８及び第２Ｃａ側屈曲部９０の凹み方向と一致する。
なお、第２ガス流路８４に設けられる蓄熱部の個数は、図示例の４個に特に限定されない。第２ガス流路８４に蓄熱部を設けることも必須ではない。
第１Ｃａ側蓄熱部９６ａ、第２Ｃａ側蓄熱部９６ｂ、第３Ｃａ側蓄熱部９６ｃ及び第４Ｃａ側蓄熱部９６ｄの容積は、第１Ｃａ側蓄熱部９６ａ、第２Ｃａ側蓄熱部９６ｂ、第３Ｃａ側蓄熱部９６ｃ、第４Ｃａ側蓄熱部９６ｄの順に大きくなる。従って、第２Ｃａ側蓄熱部９６ｂは、第１Ｃａ側蓄熱部９６ａよりも多量の第２湿潤ガスを捕捉する。第３Ｃａ側蓄熱部９６ｃは第２Ｃａ側蓄熱部９６ｂよりも多量の第２湿潤ガスを捕捉し、第４Ｃａ側蓄熱部９６ｄは第３Ｃａ側蓄熱部９６ｃよりも多量の第２湿潤ガスを捕捉する。このように、第１Ｃａ側蓄熱部９６ａ、第２Ｃａ側蓄熱部９６ｂ、第３Ｃａ側蓄熱部９６ｃ及び第４Ｃａ側蓄熱部９６ｄは、第２入口９２から第２出口９４に向かって容積が大きくなるように並ぶ。
全ての第２入口９２には、管継手６６を介して第２入力マニホールド９８が接続される。第２湿潤ガス供給源（図１参照）から供給された第２湿潤ガスは、第２入力マニホールド９８で分配され、個々の第２入口９２及び第１Ｃａ側屈曲部８８を介して第２ガス流路８４に流入する。全ての第２出口９４には、管継手６６を介して第２出力マニホールド１００が接続される。個々の第２ガス流路８４を流通した第２湿潤ガスは、第２出力マニホールド１００で集合し、例えば、大気に排出されるか、又は、第２湿潤ガス供給源に回収される。
第２湿潤ガスが第２ガス流路８４を流通する最中、一部の第２湿潤ガスが第１Ｃａ側蓄熱部９６ａ、第２Ｃａ側蓄熱部９６ｂ、第３Ｃａ側蓄熱部９６ｃ及び第４Ｃａ側蓄熱部９６ｄに捕捉される。第２湿潤ガスの温度は数十℃～百数十℃程度であるので、第１Ｃａ側蓄熱部９６ａ、第２Ｃａ側蓄熱部９６ｂ、第３Ｃａ側蓄熱部９６ｃ及び第４Ｃａ側蓄熱部９６ｄは、第２湿潤ガスを捕捉することで熱を蓄える。第１Ｃａ側蓄熱部９６ａ、第２Ｃａ側蓄熱部９６ｂ、第３Ｃａ側蓄熱部９６ｃ、第４Ｃａ側蓄熱部９６ｄの順で容積が大きくなるので、第１Ｃａ側蓄熱部９６ａ、第２Ｃａ側蓄熱部９６ｂ、第３Ｃａ側蓄熱部９６ｃ、第４Ｃａ側蓄熱部９６ｄの順序で蓄熱容量が大きくなる。
図１及び図４～図６に示すように、第２ヒートパイプ８２には、ヒータ又はペルチェ素子等の第２熱供給部１０２が接続される。第２熱供給部１０２は、第２ヒートパイプ８２に対して熱を付与する。
図６に示すように、個々の第２流路部材８０には、第２入口９２及び第２出口９４の近傍に第３電気端子１０４及び第４電気端子１０６がそれぞれ設けられる。また、第２治具４４には、第２接続端子１０８が設けられる。
なお、この態様では、第１ガス流路５２を流通する活性化ガス（後述する第１湿潤ガス）の流通方向と、第２ガス流路８４を流通する活性化ガス（後述する第２湿潤ガス）の流通方向とは同一方向である。しかしながら、第１ガス流路５２を流通する活性化ガスの流通方向と、第２ガス流路８４を流通する活性化ガスの流通方向とを互いに逆方向としてもよいし、他の異なる方向としてもよい。
図１に戻り、活性化システム３０は、第１ガスライン１１０を備える。第１ガスライン１１０の一端には、水素ガス供給部１１２と、窒素ガス供給部１１４とが第１三方バルブ１１６を介して接続される。水素ガス供給部１１２は、例えば、水素ガスタンクである。窒素ガス供給部１１４は、例えば、窒素ガスタンクである。第１ガスライン１１０には第１加湿器１１８が設けられる。水素ガス供給部１１２及び第１加湿器１１８は第１湿潤ガス供給部であり、第１加湿器１１８にて湿分が付与された水素ガスは、第１活性化ガスとしての第１湿潤ガスである。
第１ガスライン１１０の他端は、第１入力マニホールド６８に接続される。第１ガスライン１１０の他端から第１入力マニホールド６８に流入した第１湿潤ガス（湿潤水素ガス）は、第１治具４２に形成された第１ガス流路５２を流通する。
活性化システム３０は、第２ガスライン１２０を備える。第２ガスライン１２０の一端は、第１出力マニホールド６９に接続される。第２ガスライン１２０の他端には、第１排気バルブ１２２を介して第１排気ライン１２４が設けられる。第１ガス流路５２を流通した余剰の第１湿潤ガスは、第１出力マニホールド６９と、第２ガスライン１２０と、第１排気バルブ１２２とを経て、第１排気ライン１２４から排出される。又は、第１排気ライン１２４に図示しない回収装置を設け、第１湿潤ガスを回収してもよい。
活性化システム３０は、第３ガスライン１３０を備える。第３ガスライン１３０の一端には、窒素ガス供給部１３２及び酸化剤ガス供給部１３４が第２三方バルブ１３６を介して接続される。窒素ガス供給部１３２は、例えば、上記と同様に窒素ガスタンクである。窒素ガスは不活性な第２ガスとして供給される。本実施形態では、第１ガスライン１１０に接続される窒素ガス供給部１１４と、第３ガスライン１３０に接続される窒素ガス供給部１３２とを別個に設けている。しかしながら、１個の窒素ガス供給部を第１ガスライン１１０及び第３ガスライン１３０の双方に接続してもよい。
酸化剤ガス供給部１３４は、例えば、大気を圧縮するコンプレッサである。又は、酸化剤ガス供給部１３４は、酸素ガスボンベであってもよい。第３ガスライン１３０には、第２加湿器１３８が設けられる。酸化剤ガス供給部１３４及び第２加湿器１３８は、第２湿潤ガス供給部を構成する。第２加湿器１３８にて湿分を付与された酸化剤ガスは、第２活性化ガスとしての第２湿潤ガスである。
第３ガスライン１３０の他端は、第２入力マニホールド９８に接続される。第３ガスライン１３０の他端から第２入力マニホールド９８に流入した第２湿潤ガス（湿潤酸化剤ガス）は、第２治具４４に形成された第２ガス流路８４を流通する。
活性化システム３０は、第４ガスライン１４０を備える。第４ガスライン１４０の一端は、第２出力マニホールド１００に接続される。第４ガスライン１４０の他端には、第２排気バルブ１４２を介して第２排気ライン１４４が設けられる。第２ガス流路８４を流通した第２湿潤ガスは、第２出力マニホールド１００と、第４ガスライン１４０と、第２排気バルブ１４２とを経て、第２排気ライン１４４から排出される。又は、第２排気ライン１４４に図示しない回収装置を設け、第２湿潤ガスを回収してもよい。
活性化システム３０は、電気パラメータ検出部１５０と、制御部１５４とを有する。電気パラメータ検出部１５０は、例えば、入口側電圧測定器１５６と、出口側電圧測定器１５８とを有する。入口側電圧測定器１５６は、第１電気端子７２及び第３電気端子１０４に対して電気的に接続される。入口側電圧測定器１５６は、ＭＥＡ１０における第１入口６０及び第２入口９２側の電圧を検出する。以下、入口側電圧測定器１５６によって求められるＭＥＡ１０の局部的な電圧を、便宜的に入口側電圧と呼ぶ。出口側電圧測定器１５８は、第２電気端子７４及び第４電気端子１０６に対して電気的に接続される。出口側電圧測定器１５８は、ＭＥＡ１０における第１出口６２及び第２出口９４側の電圧を検出する。以下、出口側電圧測定器１５８によって求められるＭＥＡ１０の局部的な電圧を、便宜的に出口側電圧と呼ぶ。
電気パラメータ検出部１５０は、抵抗測定器、電流測定器又はインピーダンス測定器であってもよい。電気パラメータ検出部１５０は、これらの測定器を全て有してもよい。
活性化システム３０は、圧力パラメータ検出部１６０をさらに有する。圧力パラメータ検出部１６０は、アノード差圧計１６２とカソード差圧計１６４とを含む。
アノード差圧計１６２は、第１ガスライン１１０のガス圧と第２ガスライン１２０のガス圧との差圧を検出する。この差圧は、第１ガス流路５２におけるアノード電極１４への入口と、第１ガス流路５２におけるアノード電極１４からの出口との差圧に等しい。カソード差圧計１６４は、第３ガスライン１３０のガス圧と第４ガスライン１４０のガス圧との差圧を検出する。この差圧は、第２ガス流路８４におけるカソード電極１６への入口と、第２ガス流路８４におけるカソード電極１６からの出口との差圧に等しい。
制御部１５４は、入口側電圧測定器１５６、出口側電圧測定器１５８、第１熱供給部７０、第２熱供給部１０２、アノード差圧計１６２及びカソード差圧計１６４に対して電気的に接続されている。電気パラメータ検出部１５０によって測定された入口側電圧及び出口側電圧に関する情報は、情報信号として制御部１５４に送信される。制御部１５４には、アノード差圧計１６２及びカソード差圧計１６４のそれぞれによって測定されたガス差圧に関する情報信号も入力される。
後述するように、本実施形態では発電エージングを行う。このため、ＭＥＡ１０には、第１接続端子７６及び第２接続端子１０８を介して外部負荷１７０が電気的に接続される。
第１実施形態に係る活性化装置４０は、基本的には以上のように構成される。次に、第１実施形態に係る活性化装置４０の効果について説明する。
ＭＥＡ１０を活性化する場合、はじめに、作業者は、単位セルに組み上げられる前のＭＥＡ１０を、第１治具４２と第２治具４４との間に挟む。次に、作業者は、第１入口６０に第１入力マニホールド６８を接続し、且つ第１出口６２に第１出力マニホールド６９を接続する。同様に、作業者は、第２入口９２に第２入力マニホールド９８を接続し、且つ第２出口９４に第２出力マニホールド１００を接続する。
この状態で、作業者は、制御部１５４に対して「活性化を開始する」との指令信号を付与する。この指令信号に基づき、制御部１５４は、先ず、第１ガス流路５２及び第２ガス流路８４内の空気を湿潤窒素ガスに置換する。
指令信号が付与された制御部１５４は、第１三方バルブ１１６を、窒素ガス供給部１１４が第１ガスライン１１０に連通する方向に動作させる。且つ制御部１５４は、第２三方バルブ１３６を、窒素ガス供給部１３２が第３ガスライン１３０に連通する方向に動作させる。また、制御部１５４は、第１排気バルブ１２２及び第２排気バルブ１４２を開く。
窒素ガス供給部１１４から供給された窒素ガスは、第１加湿器１１８を通過して湿潤窒素ガスとなった後、第１ガスライン１１０を流通する。湿潤窒素ガスは、第１入力マニホールド６８と、第１治具４２の第１入口６０及び第１Ａｎ側屈曲部５６とを経て、第１ガス流路５２に流入する。湿潤窒素ガスが第１ガス流路５２を流通する最中、湿潤窒素ガスの一部がアノード電極１４の第１ガス拡散層２０を経て第１電極触媒層１８に到達する。これにより、アノード電極１４及び電解質膜１２に湿分が付与される。第１ガス流路５２を流通した湿潤窒素ガスは、第２Ａｎ側屈曲部５８、第１出口６２及び第１出力マニホールド６９を経て第２ガスライン１２０に流入する。その後、湿潤窒素ガスは、第１排気バルブ１２２を通過して第１排気ライン１２４から排出される。
窒素ガス供給部１３２から供給された窒素ガスは、第２加湿器１３８を通過して湿潤窒素ガスとなった後、第３ガスライン１３０を流通する。湿潤窒素ガスは、第２入力マニホールド９８と、第２治具４４の第２入口９２及び第１Ｃａ側屈曲部８８とを経て、第２ガス流路８４に流入する。湿潤窒素ガスが第２ガス流路８４を流通する最中、湿潤窒素ガスの一部がカソード電極１６の第２ガス拡散層２４を経て第２電極触媒層２２に到達する。これにより、カソード電極１６及び電解質膜１２に湿分が付与される。第２ガス流路８４を流通した湿潤窒素ガスは、第２Ｃａ側屈曲部９０、第２出口９４及び第２出力マニホールド１００を経て第４ガスライン１４０に流入する。その後、湿潤窒素ガスは、第２排気バルブ１４２を通過して第２排気ライン１４４から排出される。
以上により、第１ガス流路５２及び第２ガス流路８４から空気が排出されて湿潤窒素ガスに置換される。所定時間の経過後、制御部１５４は、第１三方バルブ１１６を、水素ガス供給部１１２が第１ガスライン１１０に連通する方向に動作させる。
水素ガス供給部１１２から供給された水素ガスは、第１加湿器１１８を通過して湿潤水素ガス（第１湿潤ガス）となった後、第１入力マニホールド６８と、第１治具４２の第１入口６０及び第１Ａｎ側屈曲部５６とを経て、第１ガス流路５２に流入する。第１湿潤ガスが第１ガス流路５２を流通する最中、第１湿潤ガスの一部がアノード電極１４の第１ガス拡散層２０を経て第１電極触媒層１８に到達する。従って、アノード電極１４及び電解質膜１２への湿分の付与が継続される。第１ガス流路５２を流通した余剰の第１湿潤ガスは、第２Ａｎ側屈曲部５８、第１出口６２及び第１出力マニホールド６９を経た後、第１排気バルブ１２２を通過して第１排気ライン１２４から排出される。この第１湿潤ガスを、図示しない回収機構で回収してもよい。
第１湿潤ガスが第１ガス流路５２を流通する最中、第１湿潤ガスの別の一部が、第１Ａｎ側蓄熱部６４ａ、第２Ａｎ側蓄熱部６４ｂ、第３Ａｎ側蓄熱部６４ｃ及び第４Ａｎ側蓄熱部６４ｄに個別に進入する。第１湿潤ガスの温度が数十℃～百数十℃であるので、この進入に伴い、第１Ａｎ側蓄熱部６４ａ、第２Ａｎ側蓄熱部６４ｂ、第３Ａｎ側蓄熱部６４ｃ及び第４Ａｎ側蓄熱部６４ｄが熱をそれぞれ蓄える。上記したように、蓄熱容量は、第１Ａｎ側蓄熱部６４ａ、第２Ａｎ側蓄熱部６４ｂ、第３Ａｎ側蓄熱部６４ｃ、第４Ａｎ側蓄熱部６４ｄの順で大きくなる。なお、第１Ａｎ側蓄熱部６４ａ、第２Ａｎ側蓄熱部６４ｂ、第３Ａｎ側蓄熱部６４ｃ及び第４Ａｎ側蓄熱部６４ｄに進入した第１湿潤ガスは、これら蓄熱部の内部に一時的に滞留する。
また、制御部１５４は、第２三方バルブ１３６を切り替え、窒素ガス供給部１３２と第３ガスライン１３０との連通を遮断し、且つ酸化剤ガス供給部１３４と第３ガスライン１３０とを連通させる。これにより、酸素ガスを含んだ酸化剤ガス（典型的には圧縮空気）が供給される。酸化剤ガスは、第２加湿器１３８を通過して湿潤酸化剤ガス（第２湿潤ガス）となった後、第２入力マニホールド９８と、第２治具４４の第２入口９２及び第１Ｃａ側屈曲部８８とを経て、第２ガス流路８４に流入する。第２湿潤ガスが第２ガス流路８４を流通する最中、第２湿潤ガスの一部がカソード電極１６の第２ガス拡散層２４を経て第２電極触媒層２２に到達する。従って、カソード電極１６及び電解質膜１２への湿分の付与が継続される。第２ガス流路８４を流通した余剰の第２湿潤ガスは、第２Ｃａ側屈曲部９０、第２出口９４及び第２出力マニホールド１００を経て第４ガスライン１４０に流入する。その後、第２湿潤ガスは、第２排気バルブ１４２を通過して第２排気ライン１４４から排出される。
第２湿潤ガスが第２ガス流路８４を流通する最中、第２湿潤ガスの別の一部が、第１Ｃａ側蓄熱部９６ａ、第２Ｃａ側蓄熱部９６ｂ、第３Ｃａ側蓄熱部９６ｃ及び第４Ｃａ側蓄熱部９６ｄに個別に進入する。第２湿潤ガスの温度が数十℃～百数十℃であるので、この進入に伴い、第１Ｃａ側蓄熱部９６ａ、第２Ｃａ側蓄熱部９６ｂ、第３Ｃａ側蓄熱部９６ｃ及び第４Ｃａ側蓄熱部９６ｄが熱をそれぞれ蓄える。上記したように、蓄熱容量は、第１Ｃａ側蓄熱部９６ａ、第２Ｃａ側蓄熱部９６ｂ、第３Ｃａ側蓄熱部９６ｃ、第４Ｃａ側蓄熱部９６ｄの順で大きくなる。なお、第１Ｃａ側蓄熱部９６ａ、第２Ｃａ側蓄熱部９６ｂ、第３Ｃａ側蓄熱部９６ｃ及び第４Ｃａ側蓄熱部９６ｄに進入した第２湿潤ガスは、これら蓄熱部の内部に一時的に滞留する。
この場合、アノード電極１４の第１電極触媒層１８では、水素が電離してプロトン及び電子が生じる。プロトンは、電解質膜１２内を伝導し、カソード電極１６の第２電極触媒層２２に到達する。電子は、外部負荷１７０を経由してカソード電極１６の第２電極触媒層２２に到達する。該第２電極触媒層２２では、酸素、プロトン及び電子が化学的に結合し、水が生成される。
上記した電気化学反応は、発熱反応である。すなわち、ＭＥＡ１０が熱を帯びる。この熱が第１湿潤ガス及び第２湿潤ガスに伝達されると、第１湿潤ガス及び第２湿潤ガスの温度が上昇する。このとき、第１ヒートパイプ５０は、第１湿潤ガスから熱を奪う。同様に、第２ヒートパイプ８２は、第２湿潤ガスから熱を奪う。このように、第１ヒートパイプ５０及び第２ヒートパイプ８２は、通常、第１湿潤ガス及び第２湿潤ガスをそれぞれ冷却する。
本実施形態では、制御部１５４に対し、ＭＥＡ１０の入口側電圧及び出口側電圧に関する情報信号を常時送信している。ＭＥＡ１０内の湿度の上昇に基づいて入口側電圧と出口側電圧との電圧差が所定の上限値に到達したことを認識した制御部１５４は、「ＭＥＡ１０の加湿状態は、適正の上限である」と判断する。
制御部１５４には、アノード差圧計１６２によって測定された差圧と、カソード差圧計１６４によって測定された差圧とがさらに入力される。上記したように、アノード差圧計１６２によって測定された差圧は、第１ガス流路５２におけるアノード電極１４への入口と、第１ガス流路５２におけるアノード電極１４からの出口との差圧に等しい。カソード差圧計１６４によって測定された差圧は、第２ガス流路８４におけるカソード電極１６への入口と、第２ガス流路８４におけるカソード電極１６からの出口との差圧に等しい。どちらかの差圧が所定の上限値に到達した場合にも、制御部１５４は、「ＭＥＡ１０の加湿状態は、適正の上限である」と判断する。
上記のように判断した制御部１５４は、第１ヒートパイプ５０及び第２ヒートパイプ８２の温度を上昇させる。具体的に、制御部１５４は、第１熱供給部７０及び第２熱供給部１０２の発熱量を増加させることで、第１熱供給部７０から第１ヒートパイプ５０に伝達される熱量と、第２熱供給部１０２から第２ヒートパイプ８２に伝達される熱量とを増加させる。
この制御により、第１ヒートパイプ５０から第１湿潤ガスに付与される熱量が増加する。同様に、第２ヒートパイプ８２から第２湿潤ガスに付与される熱量が増加する。従って、第１湿潤ガスにおける実質的な露点温度及び第２湿潤ガスにおける実質的な露点温度が高くなる。その結果、第１湿潤ガス及び第２湿潤ガスにおいて、凝縮が起こり難くなる。これにより、第１ガス流路５２及び第２ガス流路８４内の各々の液水量が徐々に低減する。液水量が低減することに伴い、入口側電圧と出口側電圧との電圧差が小さくなる。
ここで、第１湿潤ガスにおける実質的な露点温度とは、第１ガス流路５２の各箇所における第１湿潤ガスの局所的な露点温度である。第１湿潤ガスにおける実質的な露点温度は、第１ヒートパイプ５０から第１湿潤ガスに付与される熱量によって定まる。同様に、第２湿潤ガスにおける実質的な露点温度とは、第２ガス流路８４の各箇所における第２湿潤ガスの局所的な露点温度である。第２湿潤ガスにおける実質的な露点温度は、第２ヒートパイプ８２から第２湿潤ガスに付与される熱量によって定まる。
第１ガス流路５２及び第２ガス流路８４内の各々の液水量が過度に低減した場合、電解質膜１２が乾燥する懸念がある。そこで、制御部１５４は、入口側電圧と出口側電圧との電圧差が所定の下限値に到達したとき、「ＭＥＡ１０の加湿状態は、適正の下限である」と判断する。なお、制御部１５４は、第１ガスライン１１０と第２ガスライン１２０との差圧が所定の下限値に達したときにも上記と同様に判断する。
上記のように判断した制御部１５４は、第１ヒートパイプ５０及び第２ヒートパイプ８２の温度を低下させる。具体的に、制御部１５４は、第１熱供給部７０及び第２熱供給部１０２の発熱量を減少させることで、第１熱供給部７０から第１ヒートパイプ５０に伝達される熱量と、第２熱供給部１０２から第２ヒートパイプ８２に伝達される熱量とを減少させる。
この制御により、第１ヒートパイプ５０から第１湿潤ガスに付与される熱量が減少する。同様に、第２ヒートパイプ８２から第２湿潤ガスに付与される熱量が減少する。従って、第１湿潤ガスにおける実質的な露点温度及び第２湿潤ガスにおける実質的な露点温度が低くなる。その結果、第１湿潤ガス及び第２湿潤ガスにおいて、凝縮が起こり易くなる。これにより、第１ガス流路５２及び第２ガス流路８４内の各々の液水量が徐々に増加する。液水量が増加することに伴い、入口側電圧と出口側電圧との電圧差が大きくなる。また、第１ガスライン１１０と第２ガスライン１２０との差圧が増大する。
第１ヒートパイプ５０及び第２ヒートパイプ８２は、熱付与又は熱付与停止に対する応答速度が大きい。従って、第１熱供給部７０から第１ヒートパイプ５０に熱が付与されたとき、第１ガス流路５２内の第１湿潤ガスの温度が迅速に上昇する。同様に、第２熱供給部１０２から第２ヒートパイプ８２に熱が付与されたとき、第２ガス流路８４内の第２湿潤ガスの温度が迅速に上昇する。これとは逆に、第１熱供給部７０から第１ヒートパイプ５０への熱の付与が停止されたとき、第１ガス流路５２内の第１湿潤ガスの温度が迅速に下降する。同様に、第２熱供給部１０２から第２ヒートパイプ８２への熱の付与が停止されたとき、第２ガス流路８４内の第２湿潤ガスの温度が迅速に下降する。
以上のようにして、第１湿潤ガス及び第２湿潤ガスの各温度が迅速に調節される。すなわち、第１湿潤ガス及び第２湿潤ガスの各々の温度を略一定に維持することができる。従って、第１ガス流路５２及び第２ガス流路８４の各々における液水量を適正量に保つことができるので、フラッディングが起こることが回避される。その結果、アノード電極１４の第１電極触媒層１８に十分な量の第１湿潤ガスが到達し、且つカソード電極１６の第２電極触媒層２２に十分な量の第２湿潤ガスが到達する。これにより、ＭＥＡ１０を十分に活性化することができる。
しかも、第１実施形態に係る活性化装置４０は、複数個の第１ガス流路５２と、複数個の第２ガス流路８４とを有する。従って、個々の第１ガス流路５２及び個々の第２ガス流路８４では、流路長が短い。このため、第１ガス流路５２では、第１入口６０と第１出口６２との間で第１湿潤ガスの分圧に差が発生し難い。同様に、第２ガス流路８４では、第２入口９２と第２出口９４との間で第２湿潤ガスの分圧に差が発生し難い。
加えて、第１ガス流路５２の途中には、第１Ａｎ側蓄熱部６４ａ、第２Ａｎ側蓄熱部６４ｂ、第３Ａｎ側蓄熱部６４ｃ及び第４Ａｎ側蓄熱部６４ｄが形成されている。第１Ａｎ側蓄熱部６４ａ、第２Ａｎ側蓄熱部６４ｂ、第３Ａｎ側蓄熱部６４ｃ、第４Ａｎ側蓄熱部６４ｄには、これら蓄熱部内に第１湿潤ガスが進入することに伴って熱が蓄えられている。すなわち、第１湿潤ガスに対し、第１Ａｎ側蓄熱部６４ａ、第２Ａｎ側蓄熱部６４ｂ、第３Ａｎ側蓄熱部６４ｃ及び第４Ａｎ側蓄熱部６４ｄから熱が伝達される。しかも、これら蓄熱部の蓄熱容量は、第１出口６２に近接するにつれて大きくなる。すなわち、第１湿潤ガスには、第１出口６２に近接するにつれて大きな熱量が付与される。
このように、第１実施形態では、第１湿潤ガスが第１出口６２に近接するにつれて該第１湿潤ガスに大きな熱量が付与される。従って、第１出口６２において、実質的な露点温度が低下することが回避される。
同様に、第２ガス流路８４を流通する第２湿潤ガスには、第１Ｃａ側蓄熱部９６ａ、第２Ｃａ側蓄熱部９６ｂ、第３Ｃａ側蓄熱部９６ｃ及び第４Ｃａ側蓄熱部９６ｄに蓄えられた熱が伝達される。これら蓄熱部の蓄熱容量は、第２出口９４に近接するにつれて大きくなるので、第２湿潤ガスには、該第２湿潤ガスが第２出口９４に近接するにつれて大きな熱量が付与される。このため、第２出口９４において、実質的な露点温度が低下することも回避される。
以上のような理由から、第１ガス流路５２及び第２ガス流路８４において、第１ヒートパイプ５０又は第２ヒートパイプ８２からの熱の付与量が急速に低減した場合であっても、特に第１出口６２の近傍及び第２出口９４の近傍で、実質的な露点温度が低下することがそれぞれ回避される。従って、第１ガス流路５２及び第２ガス流路８４においてフラッディングが起こることが抑制される。すなわち、第１実施形態によれば、フラッディングを防止することが容易である。
この態様では、第１ガス流路５２及び第２ガス流路８４内に蓄熱部（ガス温度蓄熱構造体）を設け、且つ第１出口６２及び第２出口９４に近接するにつれて蓄熱部の蓄熱容量を大きくしている。このため、第１ガス流路５２では、第１入口６０から第１出口６２に向かって露点温度が高くなる。第２ガス流路８４では、第２入口９２から第２出口９４に向かって露点温度が高くなる。すなわち、第１ガス流路５２及び第２ガス流路８４では、活性化ガスの上流から下流となるにつれて、実質的な露点温度に正の勾配が形成される。このため、第１ガス流路５２において第１湿潤ガスの実質的な露点温度が低下したとき、又は第２ガス流路８４において第２湿潤ガスの実質的な露点温度が低下したとき、第１ガス流路５２又は第２ガス流路８４の全体にわたって凝縮水（液水）が生じることが抑制される。
さらに、この態様においては、第１ガス流路５２では第１出口６２の近傍で実質的な露点温度が最も高くなり、第２ガス流路８４では第２出口９４の近傍で実質的な露点温度が最も高くなる。従って、第１出口６２及び第２出口９４では、凝縮水が生じ難い。このため、第１出口６２及び第２出口９４が凝縮水で閉塞されることが回避される。従って、第１ガス流路５２の途中及び第２ガス流路８４の途中で生じた凝縮水を、第１出口６２及び第２出口９４から速やかに排出することができる。
以上のようにしてＭＥＡ１０の活性化が終了した後、制御部１５４は、第１三方バルブ１１６を制御することで、水素ガス供給部１１２と第１ガスライン１１０との連通を遮断し、且つ窒素ガス供給部１１４と第１ガスライン１１０とを連通させる。また、制御部１５４は第２三方バルブ１３６を制御し、第３ガスライン１３０と酸化剤ガス供給部１３４との連通を遮断し、且つ第３ガスライン１３０と窒素ガス供給部１３２とを連通させる。
この状態で、窒素ガス供給部１１４から第１ガス流路５２に窒素ガスが供給され、且つ窒素ガス供給部１３２から第２ガス流路８４に窒素ガスが供給される。窒素ガスは湿潤窒素ガスとなり、アノード電極１４及びカソード電極１６に供給される。湿潤窒素ガスは、第２ガスライン１２０及び第４ガスライン１４０を経て第１排気バルブ１２２及び第２排気バルブ１４２からそれぞれ排出される。以上により、第１ガス流路５２及び第２ガス流路８４が湿潤窒素ガスで置換される。
第１治具４２は、例えば、ベースプレート４６ａ、４６ｂの間に第１ヒートパイプ５０を挟み、且つベースプレート４６ｂ上に第１流路部材４８を置いてロールボンド加工を施すことで作製される。第２治具４４も同様に、ベースプレート４６ｃ、４６ｄの間に第２ヒートパイプ８２を挟み、且つベースプレート４６ｄ上に第２流路部材８０を置いてロールボンド加工を施すことで作製される。
第１流路部材４８及び第２流路部材８０を用いることに代替し、ベースプレート４６ａ、４６ｂの間に第１ガス流路５２を形成し、且つベースプレート４６ｃ、４６ｄの間に第２ガス流路８４を形成することも可能である。
次に、図７～図１１を参照し、第２実施形態に係る活性化装置２００について説明する。なお、図１～図６に示される構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付し、詳細な説明を省略する。
図７は、活性化装置２００を構成する第１治具２０２から活性化装置２００を見た平面図であり、図８は、第１治具２０２におけるアノード電極１４を向く端面から活性化装置２００を見た平面図である。図９は、図７中のＩＸ－ＩＸ線断面図である。図１０は、活性化装置２００を構成する第２治具２０４から活性化装置２００を見た平面図であり、図１１は、第２治具２０４におけるカソード電極１６を向く端面から活性化装置２００を見た平面図である。
図９に示すように、活性化装置２００は、ＭＥＡ１０を挟む第１治具２０２と第２治具２０４とを有する。第１治具２０２は、アノード電極１４における第１ガス拡散層２０に隣接するように配置される。第２治具２０４は、カソード電極１６における第２ガス拡散層２４に隣接するように配置される。
図８及び図９に示すように、第２実施形態では、２個の第１ヒートパイプ５０の間に複数個（第２実施形態では３個）の第１流路部材２１０が配置される。３個の第１流路部材２１０は、第１ヒートパイプ５０の延在方向である第１方向Ｘに沿って直線状に並ぶ。図９に示すように、個々の第１流路部材２１０の内部には、第１ガス流路２１２が形成される。従って、第２実施形態では、複数個の第１ヒートパイプ５０のうち２個の間に、複数個（２個以上）の第１ガス流路２１２が位置する。
図８に示すように、第１ガス流路２１２は、アノード電極１４を向く面に第１供給口２１４を有する。従って、第１ガス流路２１２を流通する第１湿潤ガスは、第１供給口２１４から第１ガス拡散層２０を経て第１電極触媒層１８に供給される。
第１ガス流路２１２には、第１Ａｎ側屈曲部５６及び第２Ａｎ側屈曲部５８が連なる。第１Ａｎ側屈曲部５６には、第１湿潤ガスが流入する第１入口６０が形成される。第２Ａｎ側屈曲部５８には、第１湿潤ガスを排出する第１出口６２が形成される。第１Ａｎ側屈曲部５６及び第２Ａｎ側屈曲部５８は、第１ガス流路２１２から離間する方向に凹んだ凹部からなる第１屈曲部及び第２屈曲部としてそれぞれ形成される。
全ての第１入口６０には、管継手６６を介して第１入力マニホールド２１６が接続される。第１湿潤ガス供給源から供給された第１湿潤ガスは、第１入力マニホールド２１６で分配され、個々の第１入口６０及び第１Ａｎ側屈曲部５６を介して第１流路部材２１０に流入する。全ての第１出口６２には、管継手６６を介して第１出力マニホールド２１８が接続される。個々の第１ガス流路２１２を流通した第１湿潤ガスは、第１出力マニホールド２１８で集合し、例えば、大気に排出されるか、又は、第１湿潤ガス供給源（図１参照）に回収される。
図９及び図１１に示すように、第２実施形態では、２個の第２ヒートパイプ８２の間に複数個（第２実施形態では３個）の第２流路部材２２０が配置される。３個の第２流路部材２２０は、第２ヒートパイプ８２の延在方向である第１方向Ｘに沿って直線状に並ぶ。図９に示すように、個々の第２流路部材２２０の内部には、第２ガス流路２２２が形成される。従って、第２実施形態では、複数個の第２ヒートパイプ８２のうち２個の間に、複数個（２個以上）の第２ガス流路２２２が位置する。
図９に示すように、第２ガス流路２２２は、カソード電極１６を向く面に第２供給口２２４を有する。従って、第２ガス流路２２２を流通する第２湿潤ガスは、第２供給口２２４から第２ガス拡散層２４を経て第２電極触媒層２２に供給される。
第２ガス流路２２２には、第１Ｃａ側屈曲部８８及び第２Ｃａ側屈曲部９０が連なる。第１Ｃａ側屈曲部８８には、第２湿潤ガスが流入する第２入口９２が形成される。第２Ｃａ側屈曲部９０には、第２湿潤ガスを排出する第２出口９４が形成される。第１Ｃａ側屈曲部８８及び第２Ｃａ側屈曲部９０は、第２ガス流路２２２から離間する方向に凹んだ凹部からなる第１屈曲部及び第２屈曲部としてそれぞれ形成される。
なお、この態様では、第１ガス流路２１２を流通する第１湿潤ガスの流通方向と、第２ガス流路２２２を流通する第２湿潤ガスの流通方向とは同一方向である。しかしながら、第１ガス流路２１２を流通する第１湿潤ガスの流通方向と、第２ガス流路２２２を流通する第２湿潤ガスの流通方向とを互いに逆方向としてもよいし、他の異なる方向としてもよい。
全ての第２入口９２には、管継手６６を介して第２入力マニホールド２２６が接続される。第２湿潤ガス供給源から供給された第２湿潤ガスは、第２入力マニホールド２２６で分配され、個々の第２入口９２及び第１Ｃａ側屈曲部８８を介して第２ガス流路２２２に流入する。全ての第２出口９４には、管継手６６を介して第２出力マニホールド２２８が接続される。個々の第２ガス流路２２２を流通した第１湿潤ガスは、第２出力マニホールド２２８で集合し、例えば、大気に排出されるか、又は、第２湿潤ガス供給源に回収される。
第２実施形態に係る活性化装置２００では、個々の第１ガス流路２１２及び個々の第２ガス流路２２２の流路長が、第１実施形態に係る活性化装置４０における個々の第１ガス流路５２及び個々の第２ガス流路８４の流路長よりもそれぞれ短い。このため、個々の第１ガス流路２１２において、第１入口６０と第１出口６２との間で第１湿潤ガスの分圧に差が一層発生し難い。同様に、個々の第２ガス流路２２２では、第２入口９２と第２出口９４との間で第２湿潤ガスの分圧に差が一層発生し難い。
従って、第１ガス流路２１２及び第２ガス流路２２２においてフラッディングが起こることが一層困難である。すなわち、第２実施形態によれば、フラッディングが発生することを回避することが一層容易である。
第２実施形態においても、第１ガス流路２１２又は第２ガス流路２２２の少なくとも一方に蓄熱部を設けてもよい。
第１治具２０２及び第２治具２０４は、第１治具４２及び第２治具４４と同様にロールボンド加工等によって作製することが可能である。第１流路部材２１０及び第２流路部材２２０を用いることに代替し、ベースプレート４６ａ、４６ｂの間に第１ガス流路２１２を形成し、且つベースプレート４６ｃ、４６ｄの間に第２ガス流路２２２を形成することもできる。
以上説明したように、本実施形態は、燃料電池を構成するアノード電極（１４）及びカソード電極（１６）の間に電解質膜（１２）が挟まれた電解質膜・電極構造体（１０）を活性化するための活性化装置（４０）において、前記電解質膜・電極構造体の両側に配置される一対の治具（４２、４４）を備え、前記一対の治具の各々は、複数個のガス流路（５２、８４）と、複数個のヒートパイプ（５０、８２）とを有し、前記活性化装置は、前記複数個のガス流路に活性化ガスを供給する活性化ガス供給部（１１２、１３４）と、前記複数個のヒートパイプに熱を付与する熱供給部（７０、１０２）と、前記熱供給部から前記複数個のヒートパイプに付与される熱を制御する制御部（１５４）と、を備え、前記複数個のガス流路の各々は、前記活性化ガスが流入する入口（６０、９２）と、前記アノード電極又は前記カソード電極に向いて開口した供給口（５４、８６）と、前記活性化ガスが流出する出口（６２、９４）と、を有する、活性化装置を開示する。
一般的に、複数個のガス流路（アノード側流路及びカソード側流路）は、１個の入口から分岐し、且つ１個の出口で集合する。これに対し、本実施形態では、複数個のガス流路は、入口及び出口をそれぞれ有する。すなわち、複数個のガス流路は互いに独立した流路であり、互いに連通していない。
従って、１個のガス流路は、１個の入口及び１個の出口を有する。この場合、１個のガス流路の流路長が短くなる。以上のような理由から、ガス流路を流れる活性化ガスにおいて、入口側の分圧と出口側の分圧とで差が生じ難くなる。すなわち、出口近傍において、活性化ガスの分圧が低下し水蒸気の分圧が上昇することが回避される。このため、ガス流路の出口近傍でフラッディングが起こり難くなる。その結果、アノード電極又はカソード電極の各々の電極触媒に活性化ガスが容易に浸透する。これにより、電極触媒を十分に活性化することができる。
本実施形態は、前記複数個のガス流路が互いに平行となるように並ぶ、活性化装置を開示する。
この構成では、アノード電極又はカソード電極の電極面に対し、活性化ガスを略均一に配分することが可能である。従って、活性化ガスの分圧と、水蒸気の分圧とを適切に制御することができる。これにより、フラッディングを回避しながら、電極面を略均一に加湿することができる。
本実施形態は、前記複数個のガス流路内の各々に設けられた蓄熱部（６４ａ～６４ｄ、９６ａ～９６ｄ）を有する、活性化装置を開示する。
ヒートパイプは、熱付与又は熱付与停止に対する応答速度が大きい。従って、活性化装置のガス流路を流通する活性化ガスの温度をヒートパイプで制御した場合、活性化ガスの局所的な温度（実質的な露点温度）が略均一となると推測される。この場合において、ヒートパイプから活性化ガスに付与される熱量が急速に低下したとき、ガス流路内における活性化ガスの実質的な露点温度が一斉に低下して、ガス流路の全体にわたって凝縮水が発生することがあり得る。この現象に起因して、熱の入出に対するヒートパイプの応答速度が大きいにも拘わらず、フラッディングが起こることが想定される。特に、トラック等の大型車両に搭載される燃料電池スタックでは、ＭＥＡが大型化する。このようなＭＥＡを活性化する場合、活性化装置におけるガス流路の流路長が比較的長くなる。流路長が長いガス流路において凝縮水が発生すると、その発生量が多いのでフラッディングが発生し易くなる懸念がある。
これに対し、蓄熱部を設けた態様においては、ガス流路を流通する活性化ガスに対し、蓄熱部の熱が伝達される。この熱伝達に伴い、活性化ガスの実質的な露点温度が上昇する。その結果、ガス流路内で水蒸気が凝縮することが一層抑制される。従って、フラッディングを防止することが一層容易である。
本実施形態は、前記蓄熱部は、前記ガス流路を起点として該ガス流路から離間するように凹んだ１個以上の凹部である、活性化装置を開示する。
この場合、凹部に活性化ガスが進入する。活性化ガスは数十℃～百数十℃であるので、蓄熱部が熱を蓄える。このように、この構成によれば、蓄熱部を構成することが容易である。
本実施形態は、前記蓄熱部は、前記ガス流路を起点として該ガス流路から離間するように凹んだ２個以上の凹部であり、前記２個以上の凹部の蓄熱容量が互いに相違し、前記２個以上の凹部は、前記ガス流路内において、前記入口から前記出口に向かって、蓄熱容量が小さい凹部から蓄熱容量が大きい凹部の順で並ぶ、活性化装置を開示する。
この場合、ガス流路の上流から下流となるにつれて実質的な露点温度が高くなる。すなわち、実質的な露点温度に正の温度勾配が形成される。このため、ガス流路の入口から出口に向かうに従って、活性化ガスから凝縮水が発生し難くなる。このような理由から、ガス流路の全体にわたって一斉に凝縮水が発生することが回避される。しかも、ガス流路の出口近傍で実質的な露点温度を高くすることができるので、ガス流路の出口において凝縮水の発生が抑制される。従って、ガス流路の出口が凝縮水で閉塞されることが回避される。このため、ガス流路の途中で活性化ガスから凝縮水が発生する状況であっても、該凝縮水を速やかに出口から排出することができる。
特に、発電エージングでは、活性化の進行に伴って、カソード電極において水が生成される。このため、フラッディングは、カソード電極を向くガス流路の出口近傍で発生し易い。しかしながら、上記の構成においては、ガス流路を流通して出口近傍に到達した活性化ガスに対し、出口近傍に位置する蓄熱部から大きな熱量を付与することが可能である。このため、出口近傍で活性化ガスの実質的な露点温度が低下することを回避することができる。これにより、フラッディングが発生することが一層抑制される。
本実施形態は、前記ガス流路は、前記１個以上の凹部の凹み方向に向かって凹むように屈曲した屈曲部（５６、５８、８８、９０）を有し、前記屈曲部に前記入口又は前記出口が形成される、活性化装置を開示する。
この構成によれば、入口又は出口が、凹部（蓄熱部）と同一方向に凹んでいる。換言すれば、この場合、入口又は出口と、蓄熱部とが同一方向を向く。このため、治具が大型化することが回避される。すなわち、治具の小型化を図ることができる。
本実施形態は、前記ガス流路は、前記１個以上の凹部の凹み方向に向かって凹むように屈曲した第１屈曲部（５６、８８）及び第２屈曲部（５８、９０）を有し、前記第１屈曲部に前記入口が形成され、且つ前記第２屈曲部に前記出口が形成される、活性化装置を開示する。
この構成によれば、入口及び出口が、凹部（蓄熱部）と同一方向に凹んでいる。換言すれば、この場合、入口及び出口と、蓄熱部とが同一方向を向く。このため、治具が大型化することが一層回避される。すなわち、治具の一層の小型化を図ることができる。
本実施形態は、前記一対の治具の各々では、前記複数個のヒートパイプのうち２個の間に、前記複数個のガス流路（２１２、２２２）のうち２個以上が位置し、且つ前記２個以上のガス流路は、前記複数個のヒートパイプの延在方向に沿って直線状に並ぶ、活性化装置を開示する。
この構成によれば、ガス流路の流路長が一層短くなる。従って、ガス流路を流れる活性化ガスにおいて、入口側の分圧と出口側の分圧とで差が一層生じ難くなる。従って、ガス流路の出口近傍でフラッディングが一層起こり難くなる。このため、電極触媒を活性化することが一層容易である。
なお、本発明は、上述した開示に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得る。
１０…電解質膜・電極構造体 １２…電解質膜
１４…アノード電極 １６…カソード電極
１８…第１電極触媒層 ２０…第１ガス拡散層
２２…第２電極触媒層 ２４…第２ガス拡散層
３０…活性化システム ４０、２００…活性化装置
４２、２０２…第１治具 ４４、２０４…第２治具
４６ａ～４６ｄ…ベースプレート ４８、２１０…第１流路部材
５０…第１ヒートパイプ ５２、２１２…第１ガス流路
５４、２１４…第１供給口 ５６…第１Ａｎ側屈曲部
５８…第２Ａｎ側屈曲部 ６０…第１入口
６２…第１出口 ６４ａ～６４ｄ…Ａｎ側蓄熱部
７０…第１熱供給部 ８０、２２０…第２流路部材
８２…第２ヒートパイプ ８４、２２２…第２ガス流路
８６、２２４…第２供給口 ８８…第１Ｃａ側屈曲部
９０…第２Ｃａ側屈曲部 ９２…第２入口
９４…第２出口 ９６ａ～９６ｄ…Ｃａ側蓄熱部
１０２…第２熱供給部 １１２…水素ガス供給部
１１４、１３２…窒素ガス供給部 １１８…第１加湿器
１３４…酸化剤ガス供給部 １３８…第２加湿器
１５０…電気パラメータ検出部 １６０…圧力パラメータ検出部
１７０…外部負荷

Claims (6)

  1. 燃料電池を構成するアノード電極及びカソード電極の間に電解質膜が挟まれた電解質膜・電極構造体を活性化するための活性化装置において、
    前記電解質膜・電極構造体の両側に配置される一対の治具を備え、
    前記一対の治具の各々は、複数個のガス流路と、複数個のヒートパイプとを有し、
    前記活性化装置は、
    前記複数個のガス流路に活性化ガスを供給する活性化ガス供給部と、
    前記複数個のヒートパイプに熱を付与する熱供給部と、
    前記熱供給部から前記複数個のヒートパイプに付与される熱を制御する制御部と、
    前記複数個のガス流路内の各々に設けられた蓄熱部と、
    を備え、
    前記複数個のガス流路の各々は、前記活性化ガスが流入する入口と、前記アノード電極又は前記カソード電極に向いて開口した供給口と、前記活性化ガスが流出する出口と、を有し、
    前記蓄熱部は、前記ガス流路を起点として該ガス流路から離間するように凹んだ１個以上の凹部である、活性化装置。
  2. 請求項１記載の活性化装置において、前記ガス流路は、前記１個以上の凹部の凹み方向に向かって凹むように屈曲した屈曲部を有し、前記屈曲部に前記入口又は前記出口が形成される、活性化装置。
  3. 請求項１記載の活性化装置において、前記ガス流路は、前記１個以上の凹部の凹み方向に向かって凹むように屈曲した第１屈曲部及び第２屈曲部を有し、前記第１屈曲部に前記入口が形成され、且つ前記第２屈曲部に前記出口が形成される、活性化装置。
  4. 燃料電池を構成するアノード電極及びカソード電極の間に電解質膜が挟まれた電解質膜・電極構造体を活性化するための活性化装置において、
    前記電解質膜・電極構造体の両側に配置される一対の治具を備え、
    前記一対の治具の各々は、複数個のガス流路と、複数個のヒートパイプとを有し、
    前記活性化装置は、
    前記複数個のガス流路に活性化ガスを供給する活性化ガス供給部と、
    前記複数個のヒートパイプに熱を付与する熱供給部と、
    前記熱供給部から前記複数個のヒートパイプに付与される熱を制御する制御部と、
    前記複数個のガス流路内の各々に設けられた蓄熱部と、
    を備え、
    前記複数個のガス流路の各々は、前記活性化ガスが流入する入口と、前記アノード電極又は前記カソード電極に向いて開口した供給口と、前記活性化ガスが流出する出口と、を有し、
    前記蓄熱部は、前記ガス流路を起点として該ガス流路から離間するように凹んだ２個以上の凹部であり、
    前記２個以上の凹部の蓄熱容量が互いに相違し、
    前記２個以上の凹部は、前記ガス流路内において、前記入口から前記出口に向かって、蓄熱容量が小さい凹部から蓄熱容量が大きい凹部の順で並ぶ、活性化装置。
  5. 燃料電池を構成するアノード電極及びカソード電極の間に電解質膜が挟まれた電解質膜・電極構造体を活性化するための活性化装置において、
    前記電解質膜・電極構造体の両側に配置される一対の治具を備え、
    前記一対の治具の各々は、複数個のガス流路と、複数個のヒートパイプとを有し、
    前記活性化装置は、
    前記複数個のガス流路に活性化ガスを供給する活性化ガス供給部と、
    前記複数個のヒートパイプに熱を付与する熱供給部と、
    前記熱供給部から前記複数個のヒートパイプに付与される熱を制御する制御部と、
    を備え、
    前記複数個のガス流路の各々は、前記活性化ガスが流入する入口と、前記アノード電極又は前記カソード電極に向いて開口した供給口と、前記活性化ガスが流出する出口と、を有し、
    前記一対の治具の各々では、前記複数個のヒートパイプのうち２個の間に、前記複数個のガス流路のうち２個以上が位置し、且つ前記２個以上のガス流路は、前記複数個のヒートパイプの延在方向に沿って直線状に並ぶ、活性化装置。
  6. 請求項１～５のいずれか１項に記載の活性化装置において、前記複数個のガス流路が互いに平行となるように並ぶ、活性化装置。
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